CN107406237B - 臂架末端的位置控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型机械臂，其具有臂架臂(10)，所述臂架臂可折叠并且包括可绕竖直轴线转动的转台(12)和多个臂架区段(14、16、18)，其中，所述臂架区段(14、16、18)能够分别借助于一个驱动组件(26、28、30)在有限的程度上在铰接接头(20、22、24)处绕相应水平的弯折轴线相对于邻近的臂架区段(14、16、18)或转台(12)枢转。本发明的一个目的在于开发这种大型机械臂，使得系统的动力学可通过测量技术来感测并通过控制技术来使用。特别地，目的在于提供一种大型机械臂，其中可减少臂架末端(32)的竖直运动。本发明的目的通过下述来实现：大型机械臂具有用于测量至少一个臂架区段(14、16、18)的倾斜度和/或加速度的至少一个惯性传感器(34、36、38、40)。此外，本发明还涉及一种汽车式混凝土泵。

Description

臂架末端的位置控制

技术领域

本发明涉及一种大型机械臂，其具有臂架臂，所述臂架臂可折叠并且包括可绕竖直轴线转动的转台和多个臂架区段，其中，所述臂架区段可分别借助于一个驱动组件在有限的程度上在铰接接头处绕相应水平的弯折轴线相对于邻近的臂架区段或转台枢转，用于测量倾斜度的装置布置在所述臂架臂上，本发明还涉及一种具有根据本发明的大型机械臂的汽车式混凝土泵。

背景技术

在现代汽车式混凝土泵中，双活塞泵通常用于供给液态混凝土。各活塞的活动阶段之间的变化导致混凝土流动中断。特别是在高进给速率下，这使得起重臂以脉冲的方式被激励。该循环激励引起起重臂的末端处的运动，这在操作期间对于末端软管的驱动器构成干扰。现有技术已经公开了用于主动地抑制起重臂的弹性振动的多种系统。虽然这减少了运动，并且可防止在不适宜地调节的泵频率下的共振现象，但是在此情况下对于起重臂的运动的令人满意的补偿是不可能的。

DE 19503895 A1公开了一种补偿竖直运动的简单的位置控制电路。然而，高度的必要技术测量在此被证明是有问题的。为此，提出了超声波传感器和激光传感器用于测量起重臂末端与地面之间的距离。然而，该测量原理在实践中是难以实行的，因为在操作期间不可能确保发射源与参考平面之间的无障碍空间。此外，还提出仅使用最后的臂架接头来实施控制。然而，该控制概念不能用于杆相对于地球的重力场的接近竖直的倾斜度。

此外，EP 1537282 B1公开了臂架末端的高度可借助于安装在所有臂架区段上的倾斜度传感器相对于车辆高度被感测。通过测量相对于地球重力场的倾斜度，可用系统的运动学描述来计算臂架末端的位置。在这种情况下，有利的是，倾斜度传感器的使用还使臂架区段的变形被隐含地考虑在内。然而，通常使用的倾斜度传感器不能在倾斜度的变化与传感器的平移加速度之间进行区分。在动态运动的情况下，所述传感器因此提供不正确的测量值。因此，它们不能用于实现位置控制。

发明内容

因此，本发明的目的在于进一步开发已知的大型机械臂，使得系统的动力学可通过测量技术来测量并通过控制技术来使用。总的来说，将提供一种大型机械臂，其中，在泵的操作期间可有效地减少汽车式混凝土泵的起重臂末端的竖直运动，这尤其使得基本上免除了端部软管的驱动器的负担。

该目的借助于具有本发明的特征的大型机械臂以及具有本发明的特征的汽车式混凝土泵来实现。应当注意，在本发明中单独地描述的特征也可以以任何期望的技术上合适的方式彼此组合，并且因此公开本发明的另外的配置。

根据本发明的大型机械臂包括臂架臂，所述臂架臂可折叠并包括可绕竖直轴线转动的转台和多个臂架区段，其中，所述臂架区段可分别借助于一个驱动组件在有限的程度上在铰接接头处绕相应水平的弯折轴线相对于邻近的臂架区段或转台枢转。根据本发明的大型机械臂由下述事实限定：所述大型机械臂具有用于测量至少一个臂架区段的倾斜度和/或加速度的至少一个惯性传感器。

借助于根据本发明的大型机械臂，可防止现有技术中已知的平移加速度的伪值。根据本发明的大型机械臂由此具有优于现有技术的优点：其使得能够实现静态地和动态地准确地测量臂架末端的竖直运动。

根据本发明的惯性传感器优选为感测传感器的位置处的竖直加速度的加速度传感器。惯性传感器尤其优选为具有双轴加速度传感器和转速传感器的组合式传感器。转速传感器的轴线理想地相对于加速度轴线正交地定位。由于平移运动对转速传感器仅具有非常小的影响，因此，转速传感器的测量信号可用于检测和校正由加速度传感器的测量信号确定的倾斜角度的伪值。在一个实际的实施例中，倾斜角度可通过测得的转速的对时间的积分来确定，其中由加速度传感器确定的倾斜角度用于静止调整。因此，在惯性传感器的动态运动的情况下，降低了运动误差。有利地使用陀螺仪。陀螺仪测量不受平移运动影响的倾斜转速。例如，呈扩展卡尔曼滤波器或具有互补滤波器的附件的形式的观测器可用于将加速度传感器的测量信号与转速传感器的测量信号组合。

每个臂架区段上都可布置至少一个惯性传感器。因此，可进一步提高测量精度和测量可靠性。

惯性传感器有利地基本上布置在臂架区段的中间。由于臂架臂的窄设计，各臂架区段在运行期间因出现的静态力和动态力而经受相当大的弹性变形。由于传感器布置在臂架区段的中间，因此，两个连续臂架区段的测得的倾斜度之间的差异不仅包括精确的铰接角度，而且包括一部分弹性变形。因此，臂架臂的运动学特性可大致被视为刚体问题。理想地，每个臂架区段都具有惯性传感器，其中，该惯性传感器大致布置在相应的臂架区段的中间。

有利的是，惯性传感器布置在最后的臂架区段上。根据本发明，所述最后的臂架区段应理解为最远离转台地布置的臂架区段，并且端部软管优选地安装在所述臂架区段的外端处。惯性传感器特别优选地不布置在最后的臂架区段上的中间。由于相对于前面的臂架区段而言最后的臂架区段的梁弯曲对臂架末端的高度的影响较小，所以这种布置产生了足够精确的测量结果。理想地，臂架臂具有位于臂架末端上的惯性传感器。因此，可进一步改进在具有高加速度的快速运动的情况下的臂架末端的高度的测量。传递竖直方向上的加速度的测量信号的二重时间积分提供与竖直高频带中的运动的动态部分具有良好对应性的信号。根据本发明，两个传感器可安装在最后的臂架区段上。一个传感器优选地基本上布置在中间，另一个传感器布置在臂架末端上、也就是说在臂架区段的外端处。然而，如果传感器仅布置在臂架末端上，也足以用于足够精确的测量。

在一有利的配置中，臂架臂的铰接接头中的至少一个配有角度传感器，所述角度传感器感测该铰接接头的角度位置。特别优选地，每个铰接接头都分别设有角度传感器。在该配置中，大型机械臂可有利地构造成能够(借助于合适的计算机)从铰接接头的感测到的角度位置并结合借助于布置在最后的臂架区段上的惯性传感器感测到的加速度，计算臂架末端的高度。角度传感器不是惯性传感器，而是具有几何分辨能力(利用机械、电阻、感应、光学或磁性工作原理)的测量传感器。换句话说，角度传感器用于确定臂架臂的(静态的)位置。根据本发明，臂架末端的高度可首先借助于铰接接头的角度位置来确定。为了优化准确性，在这种情况下可考虑到臂架区段的下垂。这可例如仅基于数学模型或基于数学模型与其他测量信号、例如臂架臂的液压驱动组件上的压力传感器相结合来完成。以这种方式获得的臂架末端的高度值可与布置在最后的臂架区段上或在臂架末端上的惯性传感器的两次对时间积分的高通滤波后的竖直加速度信号相结合，并以这种方式提供臂架末端的高度的特别准确的测量值。在该配置中，需要呈加速度传感器的形式的仅恰好一个惯性传感器与对应于铰接接头的数量的多个角度传感器相结合。

替代地，测量信号、即竖直加速度的测量信号和借助于倾斜角度确定的高度测量信号优选地也可借助于适当地选择的、优选地互补的滤波器彼此组合。利用具有合适的截止频率的低通滤波器对借助于臂架区段的倾斜度确定的臂架末端的高度进行滤波，以便过滤掉高频动态干扰。利用具有相同截止频率的互补的高通滤波器对两次对时间积分的竖直加速度信号进行滤波。两个滤波后的信号然后相组合，并提供臂架末端的高度的精确测量结果。作为借助于互补滤波器的实施例的一个替代方案，互补滤波器的功能也可借助于观测器或卡尔曼滤波器来实现。

根据本发明的大型机械臂优选地具有位置控制器。借助于所述位置控制器，可实现臂架末端的高度的有效地作用的控制，由此可补偿臂架末端的被引发的竖直移动。臂架末端的高度可作为各接头的倾斜度的函数原理上利用每个接头来操纵。而在所分配的臂架区域的倾斜度接近相应的接头的水平方向的情况下，提供了很大程度的操纵能力，这在倾斜度接近竖直的情况下不复存在。然而，为了实现位置控制，由此引起要使用的致动器元件的选择的问题。已知的是，起重臂末端的坐标(高度和半径)的测量可用于实现起重臂的所谓的笛卡尔控制或圆柱控制。在这种情况下，用户可选择性地在保持高度的同时利用具有至少两个调整方向的单个操纵杆为臂架末端预定义伸展运动或缩短运动，或者用户可在保持半径的同时预先定义提升或下降运动。借助于操纵杆预定义，用于各接头的液压致动器的致动信号利用算法来计算，所述致动信号启动期望的运动。利用这种算法，解决了用于位置控制的要使用的致动器元件的选择问题。在这种情况下，位置控制器优选地将由臂架末端的测得的高度相对于其设定值的偏差作为臂架末端的提升运动或下降运动的预定义反馈至系统，从而用于笛卡尔控制或圆柱控制。

优选地基于铰接角度的控制实施用于抑制臂架的振动的闭环控制电路。该闭环控制电路优选地具有计算机单元，所述计算机单元基于对臂架的运动学描述和各臂架区段相对于地球重力场的倾斜角度的测量来计算臂架末端的高度。各铰接接头的角速度优选地被视为该振动抑制闭环控制电路的操纵变量。

根据本发明的位置控制系统优选地叠加在振动抑制上。位置控制系统优选地具有比例/积分/微分控制器(PID控制器)。控制器借助于控制误差(臂架末端的高度的实际值/设定值)来确定控制输出，所述控制输出对于臂架末端以提升运动或下降运动的形式预定义成设定的运动。该算法由此确定连接至各臂架接头的致动输入端的致动信号，即实际上是液压驱动器的比例液压阀的控制输入端。根据本发明，该算法形成为使得借助于各臂架臂的方位和/或各臂架接头与转台的距离，进行加权，连接至各臂架接头的致动输入端的致动信号由此被加权。一方面，接头更远离转台或接头布置得更靠近起重臂末端时，权重就增大。更远离转台的臂架接头的致动提供了要移动的质量更低的优点，因此可更快速有效地抵消位置变化。另一方面，各臂架臂的走向更水平时，权重就增大。控制系统应尽可能地作用在水平延伸的臂架臂上，以便能够有效地增大起重臂末端的高度。根据本发明的算法或加权在此有利地执行成使得如果最后的臂架臂具有大致水平的走向，则基本上最大的致动信号施加至最后的臂架臂。然而，如果最后的臂架臂基本上竖直地延伸，则具有更水平的构型的另外的臂架臂接收更大的权重并且相应地更大的致动信号施加至所述另外的臂架臂。这样就可整体上利用根据本发明的传感器概念和控制概念来实现对起重臂末端高度的有效地作用的控制。

臂架末端的高度的设定值优选地在实际操作期间通过操作者的方法确定，并且在此从臂架臂的相应的当前位置的停止位置得出。根据本发明的大型机械臂优选地用于分配稠密材料。特别地，所述大型机械臂用于供给混凝土。

此外，本发明的主题是汽车式混凝土泵。根据本发明的汽车式混凝土泵具有车辆底盘、布置在车辆底盘上的稠密材料泵、特别是混凝土泵、以及具有上述惯性传感器的大型机械臂。

以下参照附图更详细地说明本发明和技术领域。应当注意，附图分别示出了本发明的特别优选的实施变型。然而，本发明不限于所示的实施变型。特别地，在技术上适用的是，本发明包括在申请文件中公开的或在说明书中与本发明相关地描述的技术特征的任何期望的组合。

附图说明

附图中：

图1示出了根据本发明的呈第一配置的臂架臂的示意图，

图2示出了根据本发明的呈第二配置的臂架臂的示意图，

图3示出了根据本发明的呈第三配置的臂架臂的示意图，

图4示出了根据本发明的呈第四配置的臂架臂的示意图，

图5示出了根据本发明的一实施例的示意性闭环控制电路。

具体实施方式

图1示出了具有呈第一配置的用于测量倾斜度的装置34、36、38的根据本发明的臂架臂10的示意图。大型机械臂具有臂架臂10，所述臂架臂10可折叠并具有可绕竖直轴线转动的转台12以及包括第一臂架区段14、第二臂架区段16和第三臂架区段18的多个臂架区段。所述第一、第二和第三臂架区段14、16、18可分别借助于一个第一驱动组件26、第二驱动组件28、第三驱动组件30在有限的程度上相对于邻近的臂架区段14、16、18或转台12枢转。臂架臂10优选地具有三个至五个臂架区段。根据本发明的大型机械臂具有用于感测臂架区段14、16、18相对于地球的倾斜度的至少一个惯性传感器，所述至少一个惯性传感器包括第一惯性传感器34、第二惯性传感器36和第三惯性传感器38。所述惯性传感器34、36、38都优选地包括双轴加速度传感器和转速传感器。转速传感器的轴线理想地对于加速度传感器的加速度轴线正交地定位。由于平移运动对转速传感器仅产生非常小的影响，因此，转速传感器的测量用于检测和校正由加速度测量确定的倾斜角度的伪值。因此，减小了臂架运动期间的测量误差。

如图1所示的根据本发明的臂架臂10在第一、第二和第三臂架区段14、16、18上分别具有第一惯性传感器34、第二惯性传感器36、第三惯性传感器38。惯性传感器34、36、38基本上布置在臂架区段14、16、18的中间。由于传感器34、36、38的这种布置，两个连续的臂架区段14、16、18的测得的倾斜度之间的差异不仅包括精确的铰接角度，而且包括一部分弹性变形。因此，臂架臂的运动学特性可大致被视为刚体问题

图2示出了具有呈第二配置的用于测量倾斜度的装置的根据本发明的臂架臂10的示意图。第一、第二和第三臂架区段14、16、18分别具有第一、第二和第三惯性传感器34、36、38，所述惯性传感器34、36、38基本上布置在臂架区段的中间。为了进一步改进臂架末端32的高度的测量，特别是在具有大加速度的快速运动的情况下，在臂架末端32上直接进行加速度的附加测量。加速度的沿竖直方向的部分的二重时间积分提供了与上频带中的运动序列的动态部分具有良好对应关系的测量信号。为此，其外端构成臂架末端32的臂架区段18在所述臂架区段的、即臂架末端32的外端处具有附加的传感器40。

然而，如果仅一个传感器布置在臂架末端上，也足以用于足够精确的测量。

图3示出了具有呈第三配置的用于测量倾斜度的装置的根据本发明的臂架臂10的示意图。臂架区段14、16分别具有惯性传感器34、36，所述惯性传感器34、36基本上布置在臂架区段的中间。臂架区段18在其外端处、即臂架末端32的外端处具有惯性传感器40。由于相对于之前的臂架区段14、16而言，最后的臂架区段18的梁弯曲对臂架末端的高度的影响较小，所以这种布置产生足够精确的测量结果。因此可省去额外的传感器38。

图4示出了第四实施例中的根据本发明的臂架臂10的示意图。第一、第二和第三臂架区段14、16、18分别具有第一角度传感器48、第二角度传感器50、第三角度传感器52。第一、第二和第三角度传感器48、50、52分别感测第一铰接接头20、第二铰接接头22、第三铰接接头24的角度位置。此外，感测臂架末端32的竖直加速度的惯性传感器40布置在臂架末端32上。通过将角度传感器48、50、52的信号与惯性传感器40的信号组合，可实现对臂架末端32的瞬时高度的非常精确的确定。

利用所示的传感器概念，可实现对起重臂末端的高度的有效地作用的控制。这在图5中示意性地示出。

这里假设实施铰接角度的控制，以便抑制臂架臂10的振动。各接头20、22、24的角速度在此是系统的操纵变量U1、U2、U3。

根据本发明，基于PID控制器46和用于控制臂架末端32的提升运动或下降运动的模块47的位置控制叠加在振动抑制上。借助于计算机42从布置在臂架10上的惯性传感器34、36、38、40的测量信号(见图2)或从角度传感器48、50、52的信号结合上述惯性传感器40的信号(见图4)，确定臂架末端的瞬时高度H。位置控制借助于控制误差(臂架末端32的高度的实际值相对于其设定值的偏差)确定控制器输出A，所述控制器输出A被预先定义为用于模块47的呈臂架末端的提升运动或下降运动形式的设定值。所述位置控制器计算控制信号，所述控制信号被施加至各接头20、22和24的操纵变量U1、U2和U3。

用于臂架末端32的高度的设定值在实际操作期间通过操作者的方法来确定，因此由臂架臂10的相应的当前位置的停止位置产生。由于整个系统的复杂性和用于实际操作的模型参数的仅不精确的认知，借助于铰接角度的当前的固定值精确计算臂架末端32的高度的停止位置是不可能的，也是不必要的。因此，具有适当地选择的截止频率的简单的高通滤波器44用于PID控制器46，从而确定控制误差。通过基本的振动抑制控制防止高度的相对于原始位置的由于控制器干预而产生的漂移，所述振动抑制控制包括铰接位置的控制。由于所示的控制，因此，在泵送操作期间，可有效地减少臂架末端32的、例如汽车式混凝土泵的竖直运动。

附图标记列表

10 臂架臂

12 转台

14 第一臂架区段

16 第二臂架区段

18 第三臂架区段

20 第一铰接接头

22 第二铰接接头

24 第三铰接接头

26 第一驱动元件

28 第二驱动元件

30 第三驱动元件

32 臂架末端

34 第一惯性传感器

36 第二惯性传感器

38 第三惯性传感器

40 臂架末端的惯性传感器

42 计算机

44 高通滤波器

46 PID控制器

47 用于控制臂架末端的提升运动和下降运动的模块

48 第一角度传感器

50 第二角度传感器

52 第三角度传感器

Claims (16)

1.一种大型机械臂，其具有臂架臂，所述臂架臂能够折叠并且包括能够绕竖直轴线转动的转台和多个臂架区段，其中，多个臂架区段能够分别借助于一个驱动组件在有限的程度上在铰接接头处绕相应水平的弯折轴线相对于邻近的臂架区段或转台枢转，

所述大型机械臂还具有用于测量至少一个臂架区段的倾斜度和/或加速度的至少一个惯性传感器，至少一个所述惯性传感器布置在最后的臂架区段上，并且感测最后的臂架区段的加速度，所述大型机械臂包括用于基于所述至少一个惯性传感器的测量信号控制臂架末端的高度的位置控制系统，其中所述位置控制系统构造成：能够从臂架区段的测得的倾斜度或者铰接接头的感测到的角度位置并结合借助于布置在最后的臂架区段上的惯性传感器感测到的加速度，计算臂架末端的高度，其中感测到的加速度在竖直方向上的二重时间积分被执行，其中所述位置控制系统实施成使得所述位置控制系统根据各臂架臂的定向和/或各臂架接头/臂架臂与转台之间的距离，确定施加至各臂架接头的致动输入端的致动信号。

2.如权利要求1所述的大型机械臂，其特征在于，惯性传感器包括双轴加速度传感器和转速传感器。

3.如权利要求2所述的大型机械臂，其特征在于，惯性传感器实施成使得所述惯性传感器将双轴加速度传感器的测量信号与转速传感器的对时间积分的测量信号相结合。

4.如权利要求3所述的大型机械臂，其特征在于，所述大型机械臂使用观测器来处理双轴加速度传感器和转速传感器的测量信号。

5.如权利要求1-4中任一项所述的大型机械臂，其特征在于，在每个臂架区段上都布置至少一个惯性传感器。

6.如权利要求1-4中任一项所述的大型机械臂，其特征在于，惯性传感器基本上布置在臂架区段的中间。

7.如权利要求1-4中任一项所述的大型机械臂，其特征在于，所述大型机械臂构造成能够从臂架区段的测得的倾斜度计算臂架末端的高度。

8.如权利要求1-4中任一项所述的大型机械臂，其特征在于，铰接接头中的至少一个配有角度传感器，所述角度传感器感测所述铰接接头的角度位置。

9.如权利要求8所述的大型机械臂，其特征在于，每个铰接接头都相应地配有角度传感器。

10.如权利要求1-4中任一项所述的大型机械臂，其特征在于，所述大型机械臂具有用于抑制振动的控制装置。

11.如权利要求10所述的大型机械臂，其特征在于，位置控制系统的位置控制叠加在振动抑制上。

12.如权利要求1所述的大型机械臂，其特征在于，位置控制系统实施成使得所述位置控制系统基于臂架末端的笛卡尔控制或圆柱控制来确定致动信号。

13.如权利要求1所述的大型机械臂，其特征在于，至少一个所述惯性传感器布置在臂架末端上。

14.如权利要求4所述的大型机械臂，其特征在于，所述大型机械臂使用扩展卡尔曼滤波器或互补滤波器来处理双轴加速度传感器和转速传感器的测量信号。

15.一种汽车式混凝土泵，其具有车辆底盘、布置在车辆底盘上的稠密物质泵以及如前述权利要求中任一项所述的大型机械臂。

16.如权利要求15所述的汽车式混凝土泵，其特征在于，所述稠密物质泵是混凝土泵。

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